ARQUITECTURAS BASADAS EN NIVELES. ESTÁNDARES.
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. TIPOS DE ARQUITECTURAS
3. ARQUITECTURA BASADA EN NIVELES
3.1. Modelo de niveles OSI
3.2. Arquitecturas alternativas
3.2.1. TCP/IP
3.2.2. IBM, SNA
3.2.3. DEC, DNA
4. BIBLIOGRAFÍA
1. INTRODUCCIÓN
Una arquitectura de red es un conjunto de reglas que gobierna la interconexión y la interacción de los componentes de una red; incluye los formatos para los datos, los protocolos y las estructuras lógicas para las funciones que proporcionan comunicaciones efectivas entre los sistemas de proceso de datos conectados a la red.
2. TIPOS DE ARQUITECTURAS
La estructura en niveles permite separar las funciones en distintos niveles que se comunican con los niveles equivalentes situados en nodos distantes.
Las arquitecturas de red pueden clasificarse en jerárquicas y distribuidas, como se ilustra en la figura.
Figura 62.1. Comparación de la arquitectura jerárquica y distribuida
En una arquitectura jerárquica, como la SNA, un sistema maestro está al cargo de toda la red y realiza funciones de gestión y control.
Una red distribuida, como la DNA, asigna a cada sistema de comunicaciones de la red las mismas funciones, y todas las sesiones de la red tienen lugar entre sistemas parejos que ofrecen un conjunto de servicios a los usuarios y comparten las funciones de gestión de red.
Otros criterios de clasificación que pueden aplicarse a las redes son su orientación hacia el usuario final (servicios que ofrece al usuario final) y hacia las comunicaciones (facilidades de transporte y de conversión de protocolos que hacen la red transparente al usuario). SNA y DNA son redes orientadas al usuario final, mientras que una red pública de comunicaciones basada en X.25 está orientada a las comunicaciones.
El CCITT, Comité Consultivo Internacional para Telegrafía y Telefonía, se fundó en 1965 para establecer recomendaciones que definiesen estándares abiertos para las comunicaciones de textos y voz entre ordenadores. El trabajo más significativo en el establecimiento de estándares internacionales para la interconexión de sistemas abiertos de ordenadores se debe a la organización internacional de estándares (ISO, Internacional Standarization Organization).
El primer paso hacia el establecimiento de una arquitectura abierta como alternativa a las arquitecturas comerciales lo dio en 1977 el comité ISO/TC97/SC16/ que desarrolló un modelo de referencia para la interconexión de sistemas abiertos (OSI, Open Systems Interconnection); este modelo es la base para la coordinación y el desarrollo de estándares para las redes de comunicaciones.
3. ARQUITECTURAS BASADAS EN NIVELES
3.1. MODELO DE REFERENCIA PARA LA INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS (OSI)
Descripción general
En la primavera de 1983, el modelo básico de referencia para OSI (ISO 7498) se transformó en un estándar internacional y comenzó la tarea de definir estándares para cada uno de sus niveles. Se intentaba que los estándares ya existentes para los niveles más bajos (1 a 3) pudiesen integrarse en el modelo de siete niveles, y que los nuevos estándares se desarrollasen de acuerdo con el modelo.
El ISO 7498 es un marco para coordinar el desarrollo de los estándares OSI. Emplea una arquitectura en niveles a fin de dividir los problemas de interconexión en partes manejables.
El modelo de referencia OSI identifica las funciones necesarias para que los ordenadores que transfieren información sobre una red puedan alcanzar los propósitos distribuidos comunes.
Estándares posteriores de ISO definieron las implementaciones en cada nivel para asegurar que se consigue una compatibilidad total entre ellos.
La aproximación en niveles asegura modularidad y la facilidad de que el software de red pueda mejorarse de forma incremental sin necesidad de introducir cambios revolucionarios.
La modularidad permite al hardware y al software de un distribuidor funcionar con los productos de otro distribuidor que soporten los mismos estándares en cada nivel.
Las funciones básicas y los estándares ISO para los siete niveles se ilustran en la figura siguiente:
Figura 62.2. Modelo de referencia de siete niveles del ISO aplicado a dos sistemas interconectados,
ilustrando las funciones básicas y los estándares del ISO para cada nivel
Dos sistemas abiertos interconectados implementan los mismos estándares en cada nivel, y dos entidades cualesquiera que pertenezcan al mismo nivel en el sistema correspondiente se comunican mediante un protocolo común.
Cuando se transmite un mensaje, pasa del nivel 7 al 1 del sistema emisor, y cada nivel añade su propia cabecera o trata el mensaje de alguna forma. Las tramas que constituyen el mensaje se transmiten sobre el medio hasta el sistema receptor en el que pasan del nivel 1 a la 7, eliminándose las cabeceras y reconstituyéndose el mensaje.
Cada nivel ofrece servicios específicos al nivel superior, y la comunicación lógica tiene lugar entre los niveles correspondientes de los dos sistemas. Los datos no se transmiten directamente entre niveles, excepto en el nivel físico.
Los niveles 1 a 3 proporcionan los protocolos de bajo nivel, principalmente implementados en hardware o mediante controladores dedicados, mientras que los niveles 4 a 7 proporcionan los protocolos de aplicación de más alto nivel, que normalmente se implementan en el software del host (dispositivo de proceso de datos de gran tamaño o controlador de red).
Para ilustrar las funciones de los niveles en el modelo OSI, se puede hacer una analogía entre una sesión OSI y una llamada telefónica:
1. Un medio físico (una línea telefónica) enlaza los dos equipos de comunicaciones, y el nivel 1 (físico) asegura que las señales vocales sean transformadas en señales eléctricas adecuadas para ser transmitidas en un extremo de la línea y que las señales recibidas se conviertan de nuevo en señales audibles en el otro extremo de la línea.
El nivel 1 define el tipo de conector que deben emplear los aparatos telefónicos, el propósito de cada patilla del conector y los niveles en la interfaz del sistema telefónico.
2. El nivel 2 (enlace) garantiza que siempre que una palabra no sea claramente recibida, se indicará esta situación al emisor para que la retransmita. La clave que se usará para solicitar una retransmisión se acordará de antemano, para evitar confusiones. Si el sistema telefónico permite mantener conversaciones en las que intervengan más de dos personas, el nivel 2 definirá el proceso para controlar quién habla. Una persona que ha terminado de hablar puede decir “cambio” o, simplemente, permanecer en silencio. Entonces, cualquiera que esté esperando para hablar puede hacerlo, con la posibilidad de que se produzcan conflictos. Si el último que habló indica quién debe ser el próximo en hablar, se evitarán estos conflictos.
3. El nivel 3 (red) establece la llamada proporcionando un mecanismo para conectar con el número de la persona con la que desea comunicar el llamante. Al oír el timbre del aparato telefónico, la persona llamada descuelga y, si el sistema telefónico ha direccionado la llamada correctamente, la comunicación comienza; en otro caso, la persona que recibe la llamada indica al que llama que se ha equivocado y éste vuelve a marcar. Si la persona llamada tiene un numero de extensión de una centralita, la operadora direccionará la llamada a la extensión apropiada de la misma. Si se lee un mensaje escrito en varias hojas de papel en distintos instantes, el nivel 3 se encargará de asegurar que el mensaje se recibe en el orden correcto y en su totalidad, posiblemente comprobando la página recibida antes de pasar a la siguiente.
4. Cuando la llamada se ha establecido, el nivel 4 (transporte) se emplea para asegurar que los mensajes solicitados se envían sin pérdidas. Si la calidad de la línea se degrada, ambas partes pueden acordar interrumpir la llamada colgando, y una de ellas volverá marcar para establecer una nueva conexión. Si la persona que contesta al teléfono no es la deseada, habrá que buscar a la persona correcta. Si la persona ha cambiado de número, se determinará cuál es el nuevo número. Cuando la conexión de transporte ya no es necesaria, ambas partes se despiden y cuelgan.
5. En el nivel 5 (sesión) se proporcionan protocolos que permiten al que llama establecer una sesión con otra persona de la oficina a la que se llama preguntando por esa persona e identificándose. Si una de las partes está ocupada atendiendo otra sesión, la misma sesión puede restablecerse más tarde utilizando otra conexión de transporte. Como las dos personas que intervienen en una llamada telefónica no pueden hablar de forma simultánea, se establece un flujo de control entre ambas, observando cuándo
ha terminado de hablar la otra parte; otra alternativa consistiría en decir “cambio”, para invitar a la otra persona a transmitir.
6. En el nivel 6 (presentación), se resuelven los problemas de lenguaje si ambas partes no hablan la misma lengua, pero ambas hablan esperanto, el nivel 6 puede especificar que la conversación debe mantenerse en esperanto. Si el asunto que se discute es confidencial, puede acordarse la utilización de palabras clave para identificar algunos términos, por ejemplo, país A para EE.UU., y país B para Rusia.
7. El nivel 7 (aplicación) depende de la forma en que las dos personas que se comunican deseen intercambiarse el mensaje. Si la conversación va a tratar sobre las apuestas de una carrera de caballos, puede acordarse utilizar un protocolo que consista en citar el nombre del caballo seguido de la apuesta que se hace por él.
3.2. ARQUITECTURAS DE RED ALTERNATIVAS
Aunque la mayoría de los fabricantes de sistemas de comunicación para ordenadores están haciendo evolucionar sus productos hacia los estándares del ISO a medida que se van definiendo para cada nivel, existe una gran variedad de alternativas en lo que se refiere a las arquitecturas de red y protocolos actualmente en uso.
Es improbable que se abandonen todas estas alternativas cuando se haya completado la definición de todos los estándares del ISO, y en muchos casos será necesario proporcionar gateways entre los sistemas que cumplan los estándares del ISO y aquellos que empleen otros métodos.
Existen muchas redes basadas en estándares alternativos y su sustitución será un proceso largo. Entre las arquitecturas alternativas se encuentran:
a) DARPA, TCP/IP. b) IBM, SNA.
c) DEC, DNA. d) Xerox, XNS.
e) Honeywell, DSA.
f) Hewlett-Packard, Advancenet. g) Burroughs, BNA.
h) ICL, IPA.
i) Data General, Xodiac. j) Wang, WSN.
Los estándares de bajo nivel soportados por varias arquitecturas de red se ilustran en la figura siguiente.
Figura 62.3. Estándares de bajo nivel soportados por las
arquitecturas particulares de distintos fabricantes
A nivel físico, de enlace y de red, la mayoría de las arquitecturas soportan una gran diversidad de estándares para redes de área local y para redes de área extensa.
Los estándares para redes de área local IEEE 802.2 (LLC), IEEE 802.3 (CSMA/CD), IEEE 802.4 (paso de testigo o token bus), IEEE 802.5 (anillo con testigo) y ANSI FDDI (anillo de paso de testigo en fibra óptica) cubren los niveles 1 y 2, mientras que X.25 cubre los niveles 1, 2 y 3.
Muchas redes de área local instaladas antes de que se finalizaran los estándares ISO para los niveles más altos hacen uso del estándar de control común del enlace lógico IEEE 802.2 dentro del nivel de enlace de datos y del protocolo XNS de Xerox o del DARPA TCP/IP para los niveles más altos.
La arquitectura SNA de IBM es probablemente el estándar de red dominante, particularmente en
EE.UU., con la DNA de DEC como segundo favorito.
Muchos fabricantes de sistemas no desean ofrecer la gama completa de facilidades que se incluyen en las siete niveles de OSI, y han seleccionado un conjunto de estándares funcionales, o un perfil estándar, que asegura la compatibilidad con otros suministradores del ramo.
Vemos ahora los más importantes.
3.2.1. TCP/IP
Protocolo de control de transmisión / protocolo entre redes (TCP/IP). (Transmission Control
Protocol / Internet Protocol).
El estándar IEEE 802.3 para redes de área local entró en servicio varios años antes que los estándares ISO para los niveles 3 a 7 del modelo OSI. Cuando se usaban LAN con equipos fabricados por una compañía que disponía de un estándar de red propio, el nivel físico y el nivel de enlace se acomodaban al IEEE 802.3 y probablemente al IEEE 802.2; así, los fabricantes de DEC integraron el IEEE 802.3 en DECnet. En 1981, Xerox introdujo la red XNS, un desarrollo de TCP/IP basado en el uso de Ethernet para el nivel físico y de enlace. Otros fabricantes de equipos para redes de área local, así como los usuarios, deseaban un conjunto de estándares por encima del nivel 2 y adoptaron el protocolo del departamento de defensa de Estados Unidos TCP/IP.
El TCP/IP se utiliza desde 1975 en redes de defensa y lo soportan muchos fabricantes de ordenadores.
El desarrollo del TCP/IP comenzó a principio de los años setenta cuando DARPA (Agencia del Departamento de Defensa de Estados Unidos para Proyectos de Investigación Avanzada) concedió varios contratos de desarrollo y fue adoptada rápidamente como arquitectura de red estándar por muchas redes del gobierno de Estados Unidos.
El TCP/IP se ha incorporado también en la versión 4.2 del sistema operativo Berkeley Unix, junto con un protocolo de resolución de direcciones que transforma las direcciones TCP/IP en direcciones IEEE
802.3, lo que ha respaldado su uso en redes de área local.
La combinación Unix TCP/IP se ha transformado en una combinación popular para los usuarios de redes de área local que desean mantener una arquitectura abierta dado que los protocolos TCP/IP no son propiedad de ninguna casa comercial.
Como se ilustra en la figura, el nivel de red se denomina protocolo entre redes (Internet Protocol, IP); este protocolo direcciona los mensajes a través de la red, intercambiando datos entre sistemas independientemente de la topología de la red y del medio empleado.
Figura 62.4. Los niveles TCP/IP comparados con los del OSI
El nivel de transporte se denomina protocolo de control de transmisión (TCP, Transmission Control Protocol) y es un protocolo de transporte orientado a la conexión que secuencia los mensajes en transacciones, y proporciona un servicio de transporte extremo a extremo similar al del protocolo ISO
8073 clase 4.
Los niveles de sesión y presentación, denominadas protocolos Telnet soportan circuitos virtuales entre terminales y ordenadores centrales, permitiendo al usuario de una máquina conectarse con otra.
El protocolo transferencia de ficheros (FTP, File Transfer Protocol), que se corresponde rigurosamente con los niveles de presentación y aplicación, facilita transferencias de ficheros entre máquinas y sistemas operativos diferentes.
3.2.2. Arquitectura IBM para redes (SNA)
Antes de que el SNA (Systems Network Architecture) apareciese en 1975, IBM empleaba unos 200 productos de comunicaciones con más de 35 métodos de acceso y unos 15 protocolos. SNA es un estándar de diseño para los productos IBM a fin de resolver las incompatibilidades que se presentaban dentro de su línea de productos y para mantenerse al día en las demandas de su continuamente cambiante mercado.
SNA se ha transformado en un conjunto de reglas extremadamente complejo desarrollado para acomodar los productos IBM.
Antes de SNA la mayoría de las comunicaciones IBM incluían redes separadas para cada aplicación de proceso y la mayor parte de las redes utilizaban el protocolo Bisync con terminales 3270 y software HASP.
A principio de los años setenta suministradores de software independientes introdujeron el uso de multiplexores y de procesadores de comunicaciones front-end inteligentes que incrementaron la flexibilidad de las redes y descargaron algunas de las tareas de comunicaciones de los mainframes. La falta de estándares hacía difícil interconectar la amplia gama de terminales y ordenadores, y hacía necesario el uso de equipos de comunicaciones especiales para la mayor parte de los nuevos tipos de ordenadores.
La arquitectura SNA se desarrolló para soportar redes de teleproceso y se adoptó una arquitectura en niveles para minimizar el impacto de los cambios que inevitablemente supondría una red de este tipo. Otros objetivos eran los de lograr que la red pudiera manejar los datos de una forma transparente y sacar las funciones de control de las comunicaciones del software de aplicación.
Niveles de SNA
La figura siguiente ilustra como SNA está dividida en 7 niveles.
Figura 62.5. Niveles SNA comparados con OSI
Estos niveles difieren de los niveles OSI en dos puntos principales:
1. SNA combina los niveles de red y transporte de OSI en el de control de direccionamiento.
2. El nivel de sesión de OSI combina los niveles de control de flujo de datos y de control de transmisión de SNA.
El nivel de control físico define los estándares para la interfaz del terminal de equipo de datos (DTE) y para el circuito terminal del equipo de datos (DCE), incluyendo los aspectos eléctrico, mecánico, funcional y de procedimientos. Este nivel puede definirse mediante RS-232-C o IEEE 802.5.
El nivel de control del enlace de datos inicializa y termina las sesiones lógicas entre nodos adyacentes, gestiona la detección de errores y la retransmisión, transfiere los datos utilizando el protocolo SDLC o el protocolo de anillo con paso de testigo IEEE 802.5.
El nivel de control de ruta proporciona posibilidades de selección de rutas primarias y secundarias, múltiples rutas activas, uso de rutas virtuales, selección de clases de servicio y segmentación o división en bloques de los mensajes.
El nivel de control de transmisión proporciona conectividad extremo a extremo, activación y desactivación de la sesión, secuenciado de los mensajes y efectuando una traducción entre alfabetos si se necesita.
El nivel de control del flujo de datos es el encargado de la correlación del intercambio de datos, la sincronización del flujo durante las sesiones y del control de errores de alto nivel.
El nivel de presentación de servicios formatea los datos para los distintos medios, y es responsable de las transformaciones sintácticas y semánticas allí donde sean necesarias.
Los servicios de transacciones o capa de aplicación proporcionan una interfaz de usuario lógico extremo a extremo. Las arquitecturas de servicios de transacciones se formalizaron en 1986 y proporcionan formatos de lenguaje de comandos común.
3.2.3. DEC, DNA
IBM y DEC anunciaron sus arquitecturas de red a mediados de los años setenta y ambos han introducido funciones adicionales en subsecuentes revisiones (release) de SNA y en las últimas fases de DNA. DNA (Digital Network Arquitecture) es una red de comunicaciones entre iguales (peer-to-peer) sin un elemento central de control presentada en 1976. Los productos software que implementan DNA se conocen como DECnet.
Niveles DNA
En la terminología DNA, un nodo es una entidad de red identificable, capaz de procesar, enviar información y recibir de la red con una dirección numérica única. La dirección del nodo incluye un número de área de 6 bits y un número de nodo de 10 bits. Los datos se transmiten en paquetes entre los nodos utilizando líneas (caminos físicos). Los circuitos son conexiones lógicas que transmiten información entre nodos. Cada uno de los elementos conectados a una línea multipunto dispone de un circuito independiente.
Figura 62.6. Comparación de los niveles DNA e ISO
El nivel físico define la forma en que se implementan los dispositivos hardware y los controladores software para estos dispositivos, a fin de transferir los datos sobre las líneas.
El nivel de enlace de datos define el mecanismo que debe permitir las comunicaciones libres de errores entre nodos adyacentes para tres tipos de enlace (DDCMP, X.25 y Ethernet), y soporta el protocolo de operación de mantenimiento.
El software del nivel de direccionamiento transporta y direcciona los datos de usuario desde el nodo emisor hasta el nodo receptor (enrutamiento intra e inter-área), proporcionando el camino más corto o más barato, así como rutas alternativas en caso de que la ruta primaria esté impracticable. También proporciona la posibilidad de control de congestión y control del tipo de vida media de los paquetes.
Comparación de DNA y SNA
Entre las ventajas de DNA se encuentran:
a) Utiliza comunicaciones entre parejos (peer-to-peer). b) Integra LAN y WAN.
c) Proporciona muchas facilidades para usuarios terminales. d) Proporciona gateways para SNA y X.25.
e) Soporta el IBM PC mediante DECnet DOS. f) Converge hacia los estándares ISO.
Entre sus desventajas están:
a) Es un estándar de red cerrado.
b) Ofrece conexiones para terminales síncronos.
c) Las facilidades disponibles son dependientes de los ordenadores DEC y de sus sistemas operativos.
Las ventajas de SNA incluyen:
a) Proporciona compatibilidad entre productos IBM. b) Es el estándar de red dominante en EE.UU.
c) Proporciona grandes posibilidades de gestión de red.
d) Incluye muchas facilidades para aplicaciones de oficina.
Entre sus desventajas se encuentran:
a) No está distribuida y no integra LAN.
b) Es una arquitectura de red cerrada sin gateways.
c) Requiere una generación y un mantenimiento complejos.
d) No se proporcionan facilidades de enrutamiento dinámicas ni de recuperación de errores.
e) Las facilidades disponibles son fuertemente dependientes de los ordenadores IBM y de la versión del sistema operativo en uso.
4. BIBLIOGRAFÍA
Tanenbaum, Andrew S.
Redes de ordenadores
Prentice Hall, 2ª edición, 1993
Félix Rabago, José
Redes locales
PC Magazine, 1994